【正文】 ...............27 接收模塊的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì) .............................................................................29 第 5 章 全文總結(jié)與展望 ........................................................................................33 無線充電技術(shù)的研究目 標(biāo) ...............................................................................33 無線充電技術(shù)的未來市場(chǎng) ...............................................................................34 參考文獻(xiàn) .........................................................................................................................36 致謝 .................................................................................................................................37 外文資料原文 .................................................................................................................38 外文資料譯文 .................................................................................................................44 第 1章 緒論 1 第 1章 緒論 無線電充電技術(shù)的概述 引言 伴隨社會(huì)信息化的進(jìn)程，數(shù)字化時(shí)代的到來，人們對(duì)能夠隨時(shí)隨地保持溝通交流的移動(dòng)通信的服務(wù)內(nèi)容和質(zhì)量要求越來越高。 基于此，本論文在無線充電方面做了一些研究。在實(shí)際運(yùn)用這些設(shè)備中，每個(gè)產(chǎn)品都對(duì)應(yīng)一個(gè)與之匹配的充電器。這種方式 既 浪費(fèi)資源、增加產(chǎn)品的成本， 且 不利于環(huán)保 的要求。其 內(nèi)容主要集中在以下幾個(gè) 方面：概述了無線充電技術(shù)原理及無線充電技術(shù)的發(fā)展情況，針對(duì)影響無線充電系 統(tǒng)指標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，特別突出了能量發(fā)射模塊和電源管理模塊 的設(shè)計(jì)特點(diǎn) ,通過不斷的測(cè)試和論證， 為提高 整套系統(tǒng)的傳輸 效率 和充電效率提出了幾種解決方案。伴隨著 3G 手機(jī)和智能手機(jī)的推廣和手機(jī)屏幕越來 越大的同時(shí)，手機(jī)功能也越來越強(qiáng)大，與此同時(shí)也導(dǎo)致手機(jī)的耗電量迅速攀升。一方面，單純以增大電池體積來增加手機(jī)待機(jī)時(shí)間，會(huì)帶來手機(jī)便攜性下降的負(fù)面結(jié)果。具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的無線充電技術(shù)將具有如下優(yōu)勢(shì)：方便、多機(jī)共用、換機(jī)不換充電器，大量節(jié)省原材料，保護(hù)環(huán)境，滿足特殊使用場(chǎng)合的需求，如防塵、防水、防爆。30 年 代初期美國(guó)的研究者也開始了不用導(dǎo)線點(diǎn)亮電燈的輸電方 案的探討 。電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 1977 所做的實(shí)驗(yàn)中使用 GaAsPt 肖特基勢(shì)壘二極管，用鋁條構(gòu)造半波電偶極子和傳輸線，輸入微波的功率為 8W，獲得了 %的微波 直流電整流效率。斯坦福大學(xué)的 Duun 和他的同事也進(jìn)行了理論研究，并證明 了在半徑 lm 的圓波導(dǎo)中以低損耗的 TE001 模式傳輸 GW量級(jí)的高功率微波潛在的可行性。 美國(guó)在宇航局的支持下， 1975 年開始了無線輸電地面實(shí)驗(yàn)的五年計(jì)劃，由噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室和 Lewis 科研中心承擔(dān)，將 3OkW 的微波無線輸送 ，微波一直流的轉(zhuǎn)換效率為 83%。由于無線通信頻率的擴(kuò)展，為了避免對(duì) 頻段通信潛在的干擾，美國(guó)宇航局傾向把 的頻率用于無線輸電。 20世紀(jì) 50 年代末期，在著名科學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者的直接領(lǐng)導(dǎo)下，無線輸電理論和實(shí)驗(yàn)研究拉開了序幕。與微波公司合作， 他們研制出了一系列無線輸電器件，其中包括無線輸電的關(guān)鍵器件 —— 快回旋電子束波微波整流器。演示裝置包 括直徑為 3 英尺的匹配銅線圈，以及與電源相連的工作頻率在兆赫范圍的傳輸線圈。明天科技公司還推出了一系列的無線供電集成模塊，《電子世界》2021 第 5 期刊出了《無線電力傳輸 IC 及其應(yīng)用》，《無線電》 2021 第 6 期 刊出了《微距無線供電發(fā)射模塊 v0X06MP01》 ，掀起了一股無線供電熱潮。其中，尤其重要的是提高效率、 ID認(rèn)證機(jī)制的設(shè)置、降低電磁噪聲、充電時(shí)位置對(duì)準(zhǔn)等。這項(xiàng)技術(shù)還具有其他一系列好處，包括更好的便攜性、更低的成本、通用性。有時(shí)，需要對(duì)封閉容器內(nèi)的傳感器等電路供電，一般采用電池。比如無線充電器，只需 將手機(jī)、 PDA等移動(dòng)設(shè)備放上去，無需插拔連線就可以充電，給人們的生活帶來了很大的方便。特別是近年來，便攜式電子產(chǎn)品大量涌現(xiàn)，以及傳感器無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與 MEMS 器件的發(fā) 展，推動(dòng)了無線供電與無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研發(fā)，并在理 論研究和實(shí)用化技術(shù)方面取得了初步的成果。對(duì)無線電波傳播的特性進(jìn)行研究，用它進(jìn)行電能的的傳送，前人也做了很多的實(shí)驗(yàn)。首先，在接收機(jī)和發(fā)送機(jī)相隔一定距離時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)發(fā)生衰減，在距離發(fā)射機(jī)不同位置具有不同的衰減規(guī)律。當(dāng)視線條件不滿足時(shí)(NLOs)，繞射機(jī)制也允許無線電信號(hào)的接收。 散射是在傳播路徑上存在障礙物，且物體尺寸與波長(zhǎng)可比擬時(shí)發(fā)生的。 反射是當(dāng)無線電波碰到尺寸比入射波長(zhǎng)大得多的障礙物時(shí)發(fā) 生的。由于大氣的折射系數(shù)不是一個(gè)常數(shù)，無線電波不是沿直線傳播，而是沿著曲線傳播，因此發(fā)射機(jī)實(shí)際覆蓋面積更大一些，然而由于大氣系數(shù)的波動(dòng)，接收信號(hào)的強(qiáng)度一樣是波動(dòng)的。即使只有幾分之一波長(zhǎng) 之差，也可能會(huì)引起信號(hào)改變 3OdB 左右。當(dāng)接收機(jī)處于不同位置，具有不同的傳播特性。 。 (2)靠近發(fā)射機(jī)的情況移動(dòng)臺(tái)靠近發(fā)射機(jī)的情況下，快衰落信號(hào)包絡(luò)的統(tǒng)計(jì)特性，是指含有一個(gè)直射波的 N個(gè)路徑傳播接收信號(hào)的包絡(luò)統(tǒng)計(jì)特性。在多徑條件下，便形成多普 勒頻譜擴(kuò)展，對(duì)信號(hào)形成隨機(jī)調(diào)頻的 多普勒效應(yīng)。整個(gè)系統(tǒng)基本上包含了兩個(gè)部件，稱為 PowerCaster的發(fā)射器模塊和稱為 PowerHarvester的接收器模塊，前者可插入在插座上，后者則嵌入在電子產(chǎn)品上 (見圖 )。本節(jié)主要介紹了微波無線電能傳輸 (WPT)的特性及理論基礎(chǔ)。 (4)在真空中傳遞能量無損耗 。在太空中，唯一的主要能源是太陽能。因此，目前已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)的最大總效率為 54%，如果能將各個(gè)部分的傳輸效率更好地匹配，總傳輸效率將有可能達(dá)到 76%。 (3)與部件效率直接相關(guān)的散熱問題 。 其中 除了天線孔徑及對(duì)其他頻譜的影響兩因素外，以上其他所有因素均以選擇較低頻率為宜。 微波供電應(yīng)用實(shí)例 微波供電一般應(yīng)用在空間，像太陽能電站等，很多前人提出了很多的使用方案。長(zhǎng)時(shí)間飛行的秘密就在于地面上有一個(gè)大型微波發(fā)射器，機(jī)身上也有一個(gè)圓型的硅整流二極管天線，能夠?qū)⒔邮盏降奈⒉ㄞD(zhuǎn)換成直流電。當(dāng)初級(jí)線圈兩端加上一個(gè)交變電壓時(shí)，磁芯中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，從而在次級(jí)線圈上感應(yīng)一個(gè)相同頻率的交流電壓，電能就從輸入電 路傳輸至輸出電路。 與此同時(shí)，非接觸式的電能傳輸技術(shù)迅速成為電氣自動(dòng)化領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)，日本、德國(guó)、法國(guó)及美國(guó)等國(guó)家的科學(xué)家相繼在該領(lǐng)域里展開了科學(xué)研究，并且取得了一系列的成果。 交流電源 整流電 路 逆變電 路 線圈或者天線的能量耦合 UI 變換 負(fù)載 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 非接觸式電源技術(shù)與傳統(tǒng)的電源能量供應(yīng)模式相比較最為突出的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)電能的非接觸式傳遞，而這一點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)是通過高頻電流向空間輻射電磁波 的形式來實(shí)現(xiàn)的，這就要求在耦 合變壓器中 其原邊（一級(jí)）線圈與副邊（二級(jí)）線圈之間相隔有一段較長(zhǎng)的空氣磁路，這也是耦 合變壓器與傳統(tǒng)的變壓器之間的區(qū)別。工頻交流電流經(jīng)過整流及濾波電路之后向高頻逆變器提供平穩(wěn)的直流電源，直流電源在經(jīng)過高頻逆變之后向原邊 諧振回路 輸送高頻交變電流，逆變器輸出的 交變電流在 原邊 （ 能量發(fā)射線圈 ） 中 經(jīng)過調(diào)測(cè)達(dá)到諧振 時(shí)會(huì)產(chǎn)生高 頻的電磁輻射，利用合理設(shè)計(jì)的（能量接收 線圈 ）產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在經(jīng)過整流濾波之后向負(fù)載傳送穩(wěn)定的電能，還可以加載單片機(jī)控制單元得到穩(wěn)定的電流電壓， 整個(gè)非接觸式電源的基本結(jié)構(gòu)如圖 25所示。 最早使用電磁感應(yīng)原理傳輸能量的是電動(dòng)牙刷。卜或桌子上，或嵌入在墻壁上，為圣誕樹上發(fā)光二極管、裝飾燈供電，為魚缸水中燈泡或小型電視供電。據(jù)稱，該項(xiàng)技術(shù)的效率是很高的，電源傳輸效率可 81． 4％。 無線充電技術(shù)實(shí)現(xiàn)了非接觸式的能量傳輸，下面首先介紹無線充電系統(tǒng)的原 理，特別的介紹了近場(chǎng)能量耦合的原理。改變兩個(gè)線圈之中某一方流過的電流時(shí)，另 一方線圈產(chǎn)生電壓，這個(gè)現(xiàn)象就 叫做 線圈的互感。 電磁感應(yīng)產(chǎn)生 的 電流和電壓分別成為感應(yīng)電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其方向 由 楞次定律判定，閉合回路中感應(yīng)電流的方向，總是使它所產(chǎn)生的磁場(chǎng)阻礙引起感應(yīng)電流的原磁通的變化。 變 壓器就是基于這一 原理工作的，它通過交變磁場(chǎng)把電源輸出的能量傳送到負(fù)載。 基于電磁場(chǎng)基本原理和磁場(chǎng)的疊加性，分析平面線圈電磁場(chǎng)的分布情況。顯然，線圈上各電流元在 P點(diǎn)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向是各不相同的，因此，必須把 dB分成垂直于軸線的分矢量 dB? 和平行于軸線的分矢量 dB 。然而，無論線圈距離為何，對(duì)于兩線圈中心點(diǎn) 0來說，磁場(chǎng)呈對(duì)稱分布，故有 ( ) ( )B x B x??，將 ()Bx圍繞 x=O作 泰勒級(jí)數(shù)展 開 ： 式子 36 由于 ( ) ( )B x B x??，即 B是關(guān)于 x的偶函數(shù)，故奇次項(xiàng)0()xBx ???，3()xBx ?????都為零。 平面線圈按周長(zhǎng)近似相等原則可簡(jiǎn)化為同心圓結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化后的線圈由 n個(gè)單匝空心 圓柱線圈組成，平面線圈的磁場(chǎng)可看成是 n個(gè)單匝空心圓柱線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的疊加，周圍空間磁場(chǎng)只具有徑向和軸向分量，整個(gè)磁場(chǎng)具有對(duì)稱性。接收線圈位于這個(gè)電磁場(chǎng)中，發(fā)射線圈磁通量的高頻變化在接收線圈中產(chǎn)生一定幅值的高頻感應(yīng)電 動(dòng) 勢(shì)。 圖 32 無線供電系統(tǒng)的基本概念圖 影響充電系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素分析 線圈規(guī)格分析與選定 在分析影響傳輸效率的因素上，線圈自身的材料、結(jié)構(gòu)、面積都是影響傳輸效率的因素，也決定線圈單體損失的大小。線圈由于考慮趨膚效應(yīng)，多采用多股線。多股線圈的表面積肯定大于單股的，其等效電阻就小，這樣線圈本身的單體損耗也小。因此在本小節(jié)，主要討論如何提高傳輸效率。漏磁，即部分磁通經(jīng)過磁路外圍的物質(zhì) (如空氣等 )而形成閉合的，或全部不在磁路中，閉 合的磁通稱 “ 漏磁”。因此要盡量的避免漏磁。下面簡(jiǎn)要介紹一下有關(guān)磁屏蔽的設(shè)計(jì)。是困難的。另外屏蔽體的尺寸在屏蔽效率和成本方面的重要性極大。每當(dāng)有可能，屏蔽體應(yīng)與所有壁靠近，以避免場(chǎng)泄漏。 為了提高系統(tǒng)的傳輸效率，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用特殊的耦合線圈，即空芯對(duì)空芯的線圈。 形狀的選取，由于發(fā)射、接收線圈分別集成在充電臺(tái)端和電子設(shè)備端，因此 可設(shè)計(jì)為圓形多匝的銅質(zhì)線圈，覆蓋輕質(zhì)非磁性橡膠或塑料薄層材料。屬于近場(chǎng)能量耦合。 因此可以采取措施，使兩個(gè)線圈所處的位置偏差小于 6mm，當(dāng)能夠滿足足夠的效率， 發(fā)光二極管 才點(diǎn)亮，充電系統(tǒng) 才能 下常工作，否則不進(jìn)行能量的傳輸以免造成能量的損失。但是，這時(shí)在卷繞同樣圈數(shù)的 情況下面積將增大，難以裝入便攜式設(shè)備中。預(yù)先將導(dǎo)線擰制成多股線的目的是為了減少相鄰導(dǎo)線之間產(chǎn)生的寄生電容以減少損耗。共振頻率條件為：振幅最大，且 V 與 I 的相位差等于 O。在交流電的一個(gè)周期內(nèi)，假設(shè)電阻元件損耗的熊量為 RW ，諧振電路電感和電容元件中儲(chǔ)存的總能量為 sW ， 則 RW 與 sW 之比反應(yīng) 了諧振電路儲(chǔ)能的效率。 對(duì)于發(fā)送線圈、接收線圈的傳送效率，則是由以上述等價(jià)電路的 L0、 R0、 LR 結(jié)合容量 0C? 及線圈之 間 的 相 互結(jié)合感應(yīng) 器 0L? 來決定 。 AB之 間 的等價(jià)式 (發(fā)送端 與 接收端總的阻抗計(jì)算式 ) 0 0 01 0 11 1 1Z R j L j Cj C j L j L??? ? ??? ? ? ? ? ??? 式子 313 CD之間產(chǎn)生的電壓 (V1) 0 1 0 1()V V I R I Z Z? ? ? ? ? ? 式子 314 相 對(duì)電流值 I，發(fā)送線圈、接收線圈同等。接收線圈( 0C? 和 0L? )影響電壓、電流相位變化，因此，關(guān)于 C1的確定應(yīng)考慮接收線圈的影響，電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 有必要 使 接收線圈 Q值損失成為最小。 從發(fā)送端的角度，主要考慮線圈 驅(qū)動(dòng)電路中電能的損耗。減小電 能 的損耗，可以從兩個(gè)方面采取措施， 一 方面，通過優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，盡量減小 電能的損耗；另一方面，在系統(tǒng)允許的情況下，加大發(fā)送端的供電電 壓 ，相對(duì) 于很大的發(fā)送端電 壓 ，通過驅(qū)動(dòng)電路時(shí)的壓降小，即電能的損耗占的比重小，同樣可以提 高 系統(tǒng)的充電效率。同樣濾波回路